马敬仲 感应电炉熔炼特性及工艺要点 for 百铸网

百铸网电炉熔炼与冲天炉熔炼的差异分析随着我国铸造工业的发展，尤其是高强度灰铸铁、高端球墨铸铁、蠕量铸铁、特种铸铁生产技术的发展，采用电炉熔炼铸铁的趋势甚为迅速。由于从冲天炉熔炼铸铁转变为电炉熔炼铸铁，两者在冶金与结晶特性方面有较大的差异，在铁液质量控制方面也需要采用相应不同的措施。上世纪80年代，日本大量使用电炉熔炼的初期，在铸铁质量控制方面就曾出现不少问题，我国现在也遇到了同样的困扰。1.1电炉熔炼与冲天炉熔炼在冶金原理上的差异1）熔化与熔炼：感应电炉与冲天炉熔炼最大的不同点是：感应电炉是炉料“熔化”，没有铁液与焦炭、炉气、炉渣之间的冶金反应，冲天炉是又“熔”又“炼”。前者元素烧损少、成分易控制，后者有氧化与还原的冶金过程，成分波动大、不易控制。2）形核能力强与形核能力差：冲天炉熔炼有增C、增S的过程，对铁液的形核有利，因而十分有利于灰铸铁的生产；而电炉熔炼如不加增C剂，则铁液形核能力不足，白口与收缩倾向大，对力学性能与加工性能皆有负面的影响。因此电熔炼要采用废钢+增C的工艺。3）炉渣与炉料净化：因炉渣不能被感应加热，故炉渣温度低，且电炉有搅拌作用，炉渣不易上升，因此电炉熔炼对炉料净化要求要百铸网高于冲天炉。4）炉料的遗传性：电炉铁液的过热温度不超过1550℃，低于冲天炉过热带的1700℃-1800℃。故生铁中的石墨不能全部溶入铁液中，故电炉熔炼中的生铁中粗大石墨的遗传性大于冲天炉。1.2电炉熔炼与冲天炉熔炼在结晶特性上的差异1）电炉熔炼的铁液有“三大”：电炉熔炼与冲天炉熔炼相比，在结晶特性上有“三大”特征，即：过冷度大、白口深度大、收缩倾向大。见图1-1、图1-2和图1-3。2）电炉熔炼的铁液形核能力差：电炉铁液中无增S、增C过程，S含量一般为0.02%～0.04%，与Mn生成的MnS数量少，而MnS是铁液中重要的结晶核心。3）电炉熔炼铁液的时间长，结晶核心少：炉料从固态到熔化，电炉的熔化速度远高于冲天炉。电炉因熔炼时间长导致结晶核心减少，如操作不当（如高温保温时间长），则会更加剧晶核的减少。结论：与冲天炉熔炼相比，电炉熔炼最大的特点，也可以说最大的问题就是铁液的形核能力差，因此操作时必须注意下面三点。（1）无论是熔炼灰铸铁还是球墨铸铁都要注意增C，对灰铸铁还要注意增S。（2）不要长时间高温保温，如需保温，应低温保温。（3）操作时必须尽量做到快熔快出。铁液成分调整后，升至1500～1550℃，静置7～10min，然后尽快出炉，否则会出现3个问百铸网题：一是成分波动，脱C增Si；二是结晶核心减少，白口倾向增大；三是炉衬侵蚀加剧。图1-1在不同的碳当量下熔炼工艺图1-2感应电炉与冲天炉体液的对共晶结晶过冷度的影响白口深度对比图1-3感应电炉与冲天炉铁液用圆筒形金属型试验时缩孔深度的比较1.3电炉熔炼与冲天炉熔炼在铁液品质上的差异电炉在铁液温度与成分准确性的控制上，较小的元素烧损上，电炉熔炼皆优于冲天炉熔炼，但电炉熔炼的铁液品质上存在着3个问题：一是气体含量问题；二是生铁的遗传性问题；三是形核能力差问题；电炉冲天炉百铸网）铁液中的气体含量（1）感应电炉熔炼时，金属炉料与气体接触的时间短，铁液与气体接触的界面小，故铁液中H、O低于冲天炉铁液，但感应电炉中废钢加入量大，N含量较高。再加上增C剂中也含有N，所以电炉中必须重视N含量，其重要度大于H与O。（2）铁液中的气体含量见表1-1。表1-1感应电炉与冲天炉铁液中的气体含量（×10-6）对比气体O含量H含量N含量冲天炉铁液40～602～440～70感应电炉铁液20280～140（3）电炉的O含量一般在20PPM以下，只要铁液的过热温度到达1500℃以上，铁液就会产生自脱氧反应，铁液中的O会变成CO排出，铁液就会变成高温低氧的优质铁液。铁液质量显著提高。但铁液中氧含量过低也不好，如O含量降至10PPM以下，则使孕育时的晶核数下降，即使孕育剂量增多，孕育效果也差，导致过冷石墨的产生；铁液中的O含量，一般可控制在10-20PPM范围内。（4）电炉中由炉料带入的H很少，产生氢气孔的可能性很小。产生氢气孔主要是来自于造型材料，未烘干的浇包，铸型等方面或孕育剂的含A1量上。故测定电炉铁液中H含量意义不大。（5）感应电炉铁液中的N与废钢加入量有关，见表1-2。含N高的铸铁件会产生裂隙状皮下气孔、裂纹或缩松，故对于灰铸铁，薄壁铸件N含量应小于130PPM。原铸件的N应小于80PPM。百铸网含量应注意三点：1应选用含N量低的增碳剂；2禁用，含N量高的电弧炉钢、高锰钢及铁素体钢；3当N含量超标时，要加含Ti或含Zr的孕育剂降氮。表1-2感应电炉中废钢比例与铁液中的N废钢比例（%）1550100铁液中N量（X10-6）30-5080-120＞1402）炉料中生铁的遗传性冲天炉内的过热带温度达1700～1800℃时，铁液以细小滴状通过过热带，在如此高温下，石墨易溶入铁液，只要铁液温度足够高且铸铁成分是亚共晶的，那么金相组织中的石墨皆呈细小片状，不会产生粗大的C型石墨。电炉中的熔炼温度低于冲天炉，一般不超过1550℃。这使生铁中的石墨不能全部溶入铁液。生铁一般是过共晶铸铁，石墨主要由一次性粗大的C型石墨及细小的共晶石墨组成。铸铁凝固时，部分粗大的C型与部分细小的晶态石墨被保留下来，前者形成粗大石墨，后者往往成为析出石墨的托附体，也使石墨粗大生铁配比越大，石墨粗大现象越严重。因此，感应电炉熔炼铸铁配料时，为防止产生粗大石墨出现，生铁比例应有限制，在生产HT250、HT300、HT350时生铁比例宜在10%以下。2电炉熔炼铁液的工艺要点百铸网要采用废钢+增C工艺企图用提高电炉熔炼温度的方式来缓解生铁中粗大石墨遗传问题的做法是不可取的，因为过高的熔炼温度将大幅度降低晶核的数量，导致白口倾向增大。正确的方式是，在电炉在熔制灰铸铁时，尤其是在熔制HT250以上材质时，少用生铁（＜10%),并要采用废钢+增C的工艺，以抵消粗大石墨的遗传，改善石墨的品质，使石墨更细化，分布更均匀。确保铸铁的性能与质量。在增C工艺中，要重视增C剂的质量。必须选用经过高温石墨化处理的增C剂，如优质电极碎屑或焙烧处理的石墨化油焦；其优点是增C剂中含S量、水分、灰分、挥发物及气体杂质已被分离出去，增C剂中N与H显著降低，可有效地防止铸件气孔产生；更重要的是，高温使增C剂中的原子排列有序度增高，增加了石墨结晶核心并使铁液增C加快，较大幅度地减少了白口倾向。生产中有些企业采用未经高温石墨化处理的石油焦或优质无烟煤作增C剂，该增C剂虽能增C，但因其无序排列的石墨不能在铁液中直接溶解，石墨化能力差，无法达到预期效果，且含N高，常形成氮气孔缺陷。实践证明，多加废钢的增C工艺熔炼与不用增C剂而使用生铁熔炼的工艺相比，其铁液白口小、收缩小、性能高，即使在同样共晶度下或稍高时，多加废钢铸铁具有较高的强度（见表2-1）。表2-1电炉熔炼时不同废钢配比对灰铸铁抗拉强度的影响百铸网废钢配比（%）共晶度Sc铁液含C量（%）孕育剂Si量（%）抗拉强度/MPa孕育剂75FeSi加入量（%）250.8603.012.322690.3300.8552.942.522830.3350.8483.231.333070.3400.8522.972.373300.3500.8802.981.423580.32.1.2熔制灰铸铁要采用增S工艺若电炉熔炼铸铁时不增S，在高废钢配比下，铁液的含S量仅为0.02%～0.03%。这对要求低含S量铁液的球墨铸铁是有优势的；但对于灰铸铁，低S量的铁液则使石墨化能力减小，孕育效果差，白口倾向增大。实践证明，在一定的Mn量下，当铁液中的含S量达到0.06%以上时，才能获得良好的孕育效果。过去相当长时间内，灰铸铁的化学成分中的S含量只有上限（S＜0.12%），没有下限（S＞0.06%），这是不正确的。因此，熔炼灰铸铁时，铁液S含量在0.06%～0.12%是适宜的。通常用加入FeS来达到增S的目的。2.1.3铁液熔化后再加入合金电炉熔炼时，合金元素要在铁液熔化后加入或在炉外加入，可使合金元素烧损减少。如Si铁、Mn铁在铁液熔化后加入，可使Si、Mn烧损量＜2.0%；Sn、Sb、Cr、Cu、Ni等元素则在炉外加入，吸收率高，见表2-2。表2-2酸性感应电炉精炼期添加合金回收率百铸网回收率（%）＞998585957510010040-60（包内）60-70（包内）2.2电炉熔炼的配料控制要点2.2.1碳含量的预配值要高于目标值对于碳含量，在配料时应略高于目标值，因为熔化后期可用废钢微调，不仅简便，且熔化快，成分易均匀。若碳值采用低于目标值配料，后期用增C剂微调，则需升温方可快熔，且增C剂因比重轻而浮于液面，需搅拌方可提高吸收率；故此法因其增加调整时间与劳动强度而不可取。含C量目标值3.15%的配料计算程序举例如下。1）炉料配比：废钢60%+回炉铁30%+生铁10%2）计算得出含C量：0.3%×60%+3.2%×30%+4.3×10%=1.57%3）需增C量：3.15%-1.57%=1.58%4）需从增C剂中吸收的C量：1.58%÷99%=1.60%5）根据增碳剂吸收率（如95%），则增C剂加入量为：1.60÷95%=1.68%，取1.7%6）如炉料为1000kg，则需加入增C剂：1000×1.7%=17kg7）再根据C的烧损或增C实际效果进行调整。最佳工艺情况是：测出铁液含C量3.2%，则可在炉内加少许废钢减C至3.15%。百铸网上述配料计算与实际调整数值一定要与熔炼工艺相结合。如：在1500～1550℃，既要静置一段时间，又不可静置太长，一般静止7～10min，这是为了进行铁液自脱氧反应（即SiO2+2C→Si+2CO)，以净化铁液。若静置时间太长，脱C增Si反应加强，将造成C、Si成分波动。总之，经过多次熔炼配料计算和实际调整，即可掌握规律，稳定C的成分。2.2.2合金元素的预配值要低于目标值原始配料成分中合金元素含量预配值要略低于目标成分，以便在首次化验后进行合金成分的调整；这是因为合金元素补加相对简便，若用铁料调节某一合金元素时，则会引起其他元素的连锁变化，故配料时合金元素含量不宜超过工艺上限。2.2.3要采用废钢+增C的先进工艺再一次强调，生产高强度对灰铸铁，生铁配比量要少于10%，并采用废钢+增C的合成铸铁工艺，对提高灰铸铁的力学性能、冶金质量和改善加工性能有着重要的作用。目前，已有很多工厂采用这个工艺后，消除了粗大的石墨，改善了石墨的品质，使石墨更加细小、均匀，还减少了生铁中微量元素的危害。2.3电炉熔炼的熔速控制百铸网℃以上易被氧化，且随温度升高氧化程度加剧，因此应尽量缩短熔炼时间，使废钢尽快熔于高C的铁液。由于有C的保护，废钢的氧化程度将大幅度降低。国外大功率电炉熔炼技术已证明能使废钢快速熔化，显著地缩短了高温氧化时间，使铁液氧化程度大幅度降低。因此，快速熔炼是电炉熔炼重要的控制要点之一。2.3.2快速出炉为确保铁液质量，铁液温度须达1500℃以上。在此温度时，感应电炉中铁液发生“脱C”反应，既有降低铁液中溶氧量、减少铁液氧化、降低Si和Mn烧损、提高铁液纯净度等有利的一面，也有高温时间过长造成白口收缩增大、孕育效果变差的一面。因此，电炉熔炼升温至1500℃以上的时间要短，保持时间也要短，并尽快出炉，实行“快熔快出”的原则。尽量缩短高温保持时间的另一原因